Intégration des fonctions de protection avec les
dispositifs IGBT

Présentation des modules de puissance

 En électronique de puissance, les IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor) jouent le rôle d’interrupteur et sont utilisés pour réaliser des fonctions de conversion de l’énergie électrique. Ces composants sont conditionnés dans des modules de puissance où l’on trouve plusieurs de ces interrupteurs avec des diodes PIN jouant la plupart du temps le rôle de diode de roue libre. Dans le domaine du ferroviaire, la gamme de tension utilisée va de 300V à 6, 5kV et un courant pouvant aller jusqu’à 2400A. L’étendue de cette gamme permet d’adresser des applications allant de la traction à la ventilation en passant par l’éclairage. L’objet de ce premier paragraphe est de présenter les principales conversions de puissance et les technologies utilisées pour réaliser les modules de puissance à base d’IGBT. 

Fonctions de conversion de puissance 

Le convertisseur statique permet d’assurer le transfert d’énergie entre un générateur et un récepteur qui sont de nature différente. Un convertisseur est une association d’interrupteur à base de composants à semi-conducteur et de composants passifs telles que des inductances ou des capacités [25]. Les différents types de convertisseurs qui existent sont soit : -directs lorsque le générateur et le récepteur sont de nature différente -indirects lorsque le générateur et le récepteur sont de nature identique (tension-tension, courant-courant). La figure 1.1 (a) synthétise les principales fonctions de conversion de l’énergie électrique. Les convertisseurs sont amenés, dans certains cas, à assurer une réversibilité en courant ou en tension. Ceci se traduit par une bidirectionnalité en tension et/ou courant des interrupteurs qui les composent. Afin d’assurer tous les différents types de conversion d’énergie électrique, il existe plusieurs familles d’interrupteurs : -unidirectionnels en tension et en courant comme les transistors bipolaire, les MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) et la plupart des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). -bidirectionnels en tension comme certains IGBT. -bidirectionnels en tension ou en courant comme les thyristors. -bidirectionnels en courant et en tension comme les triacs. Les circuits électriques de puissance sont principalement réalisés à partir d’une cellule élémentaire appelée « cellule de commutation ». Cette dernière est composée de deux interrupteurs possédant chacun une diode anti-parallèle et sont reliés entre eux à travers un point milieu (figure 1.1 (b)). Ces circuits électriques sont matérialisés et utilisés au travers de modules de puissance qui sont présentés dans le paragraphe suivant. Onduleur E1 Hacheur Convertisseur indirect de fréquence Convertisseur direct de fréquence Convertisseur indirect continu-continu Redresseur E2 V1,f1 V2,f2 (a) V (=) Interrupteur élémentaire 

  Présentation générale des modules de puissance à IGBT pour la traction ferroviaire

 Dans les années 70, les diodes et thyristors furent les premières structures semi-conductrices utilisées dans des modules de puissance pour le contrôle des moteurs dédiés à la traction ferroviaire. Depuis, le marché mondial des modules de forte puissance fut très rapidement 7 Chapitre 1. Évolution des IGBT dans le domaine de la traction orienté et « tracté » par les besoins ferroviaires [29]. En raison d’une utilisation quasi permanente des locomotives, chaque génération de machines entraîne un cahier des charges des nouveaux modules de puissance basés autour des contraintes suivantes : – augmentation de la fiabilité, – augmentation de la durée de vie, – baisse du nombre et de la valeur d’inductances parasites, – baisse du volume des boîtiers afin de les disposer dans les planchers des locomotives pour gagner du volume utile, – baisse du coût de l’assemblage, – gamme en tensions étendue pour des applications allant de 750V continu pour les réseaux urbains à 3000V pour le réseau national des grandes lignes. A titre d’exemple, la figure 1.2 illustre la nécessité de la contrainte « réduction de volume » des modules de puissances afin de gagner de la place et du poids sur une rame. Figure 1.2 – Exemple d’une chaîne de traction Jusqu’au début des années 90, seuls les diodes et thyristors étaient utilisés dans les convertisseurs pour la traction électrique. A partir de l’industrialisation des thyristors de type GTO (Gate Turn Off) par le Japon et les onduleurs à tension MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) s’est généralisée. La structure GTO est obtenue en implémentant sur un même substrat plusieurs centaines de mini-thyristor, asymétriques en tension, connectés en parallèle. Le but recherché est d’extraire une quantité de charge suffisante pour provoquer rapidement le retour à l’état bloqué. Pour assurer cette commande au blocage, le thyristor GTO exige un circuit de commande associé complexe comprenant une inductance de limitation de variations de courant et un circuit d’aide au blocage. Ces dispositifs ont permis d’améliorer les performances par rapport au thyristor classique. Par contre, le coût des circuits associés et l’importante énergie nécessaire pour assurer la commande de blocage constituent une contrainte non négligeable . Afin de minimiser cette contrainte relative au circuit d’aide au blocage du GTO des dispositifs IGCT (Insulated Gate Commutated Thyristor) ont été proposés. Ces composants sont basés sur l’association d’une structure GTO avec des transistors MOS basse tension mis en parallèle permettant d’assurer efficacement un court-circuit commandable entre cathode et base. D’autre part, l’évolution des performances et de la fiabilité des modules IGBT (cf. section 1.2.2) a permis de réaliser des modules de puissance forts courant adaptés aux contraintes de la haute tension des applications de la traction électrique ferroviaire. Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous nous sommes donc naturellement focalisés sur les modules IGBT. Les modules IGBT couvrent une large gamme de puissance allant d’une dizaine à quelques milliers d’ampères et de 300V à 6500V . Ils peuvent être utilisés dans beaucoup d’applications de moyennes et fortes puissances comme la commande de moteur dans le secteur industriel ou bien dans les transports. La figure 1.3 synthétise les principaux domaines d’applications où sont utilisés les modules de puissance à IGBT . L’aspect extérieur de ces modules est un boîtier moulé qui se monte directement sur des refroidisseurs à air ou à circulation d’eau désionisée. Le boîtier a pour rôle d’assurer la liaison électrique entre les différents semi-conducteurs (diodes PIN et IGBT), de réaliser une isolation entre les différentes connexions des modules et d’assurer le maintien mécanique de l’ensemble.